綜合物探技術(shù)在港口航道建設(shè)中的應(yīng)用

蘭天霞

（貴州順達(dá)水運(yùn)規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院 貴州貴陽(yáng) 550004）

綜合物探技術(shù)在港口航道建設(shè)中的應(yīng)用

蘭天霞

（貴州順達(dá)水運(yùn)規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院 貴州貴陽(yáng) 550004）

海洋物探技術(shù)是港口航道建設(shè)中最為主要的勘測(cè)方法，本文對(duì)常見(jiàn)的物探技術(shù)進(jìn)行分析，并結(jié)合具體工程實(shí)例對(duì)綜合物探技術(shù)的具體應(yīng)用進(jìn)行探析。

海洋物探；磁法勘探；側(cè)掃聲吶

1 引言

為了保證港口航道建設(shè)的順利實(shí)施，需要對(duì)施工范圍內(nèi)進(jìn)行海上物探，從而調(diào)查海底地形、地層分界面等分布情況，為施工方案的制定提供依據(jù)。對(duì)于港口航道這類復(fù)雜工程勘測(cè)工作來(lái)說(shuō)，單一的物探技術(shù)不能滿足其要求，需要根據(jù)工程實(shí)際情況選擇適宜的技術(shù)類型或者綜合應(yīng)用多種技術(shù)，保證勘測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確和全面。目前常用的海洋物探技術(shù)有高精度磁法、水域淺層地震反射波法、旁側(cè)聲吶等。

2 常見(jiàn)海洋物探方法技術(shù)

2.1 高精度磁測(cè)

高精度磁測(cè)采用精度高、穩(wěn)定性好、動(dòng)態(tài)范圍大的質(zhì)子磁力儀，該儀器是利用氫質(zhì)子磁矩在地磁場(chǎng)中自由旋進(jìn)的原理制成的高靈敏度弱磁測(cè)量裝置，是一種絕對(duì)觀測(cè)儀器，觀測(cè)某時(shí)刻觀測(cè)點(diǎn)的地磁場(chǎng)總強(qiáng)度T的大小，讀數(shù)分辨率0.1nT，可達(dá)精度1.0nT。在野外工作前，對(duì)儀器進(jìn)行了噪聲、一致性測(cè)定和探頭高度實(shí)驗(yàn)，結(jié)合工作區(qū)自然地理、交通條件等方面的綜合情況，采取規(guī)則網(wǎng)的方式進(jìn)行野外磁測(cè)工作，網(wǎng)度為100m×20m。在異常地段，操作員對(duì)點(diǎn)位進(jìn)行了加密。磁測(cè)工作的實(shí)測(cè)磁異常中往往包含有測(cè)量的偶然誤差和淺部不均勻體所引起的隨機(jī)干擾，是比較復(fù)雜的，在進(jìn)行解釋之前，采用了RGIS2012軟件包，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)網(wǎng)格化、ΔT化極、向上延拓、求導(dǎo)等處理。

2.2 地震反射波法

此方法是建立在水平界面假設(shè)的基礎(chǔ)上，將不同激震點(diǎn)、不同接收點(diǎn)上接收的來(lái)自同一反射點(diǎn)的地震反射信號(hào)，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)恼r(shí)差校正后疊加起來(lái)，得到同一個(gè)反射點(diǎn)的疊加值。如圖1（a）所示，以M為中心分別在地面T1、T2、T3及T4點(diǎn)激發(fā)，在對(duì)應(yīng)的R1、R2、R3及R4點(diǎn)接收來(lái)自界面同一點(diǎn)（A）的反射波，把A稱為共反射點(diǎn)，把R1、R2、R3及R4點(diǎn)接收道的數(shù)據(jù)從原始共炮點(diǎn)地震記錄中抽出并組成的集合稱為CDP道集（圖1b）。水平反射層CDP道集的時(shí)距曲線為一條雙曲線，經(jīng)過(guò)正常時(shí)差 ΔT校正（動(dòng)校正）后，將 CDP道集反射波時(shí)距曲線（T1、T2、T3、T4）校正到T＝T0的直線上，并通過(guò)疊加或累計(jì)產(chǎn)生一個(gè)單獨(dú)的記錄，動(dòng)校正與疊加示意圖見(jiàn)圖1（C）。

圖1 CDP疊加示意圖

正常時(shí)差ΔT計(jì)算公式如下式：

式中：Δt為正常時(shí)差（S）；t0為法線反射時(shí)間（S）；V1為界面上部介質(zhì)速度（m/S）；h為反射界面深度（m）。

覆蓋次數(shù)取決于每次激震時(shí)接收點(diǎn)的數(shù)量和激震點(diǎn)間距，對(duì)于單邊激震而言，覆蓋次數(shù)n用下式確定：

式中：n為覆蓋次數(shù)；N為采集記錄地震道數(shù)；D為激發(fā)炮點(diǎn)每次移動(dòng)幾個(gè)道距。

CDP疊加的直接效果是增強(qiáng)有效反射波信號(hào)的相對(duì)振幅，利用疊加的平均特性消除環(huán)境噪聲，通過(guò)疊加的時(shí)差特性壓制多次波等相干噪聲。與單道地震剖面對(duì)比，多次CDP覆蓋具有明顯優(yōu)勢(shì)：疊加后有效信號(hào)明顯得到加強(qiáng)，理論

上在保持完全同相疊加時(shí)，信噪比可提高槡n倍；對(duì)于時(shí)差較大的多次波和干擾波，疊加后具有明顯壓制作用；能通過(guò)反射波速度掃描建立二維速度模型，動(dòng)校正效果更優(yōu)。

2.3 側(cè)掃聲吶

側(cè)掃聲吶系統(tǒng)是當(dāng)今水下目標(biāo)探測(cè)的主要方式，是海底地形地貌探測(cè)的重要工具，是計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)和數(shù)字化傳感器技術(shù)等多種高新技術(shù)的高度集成，是航道測(cè)繪領(lǐng)域最先進(jìn)技術(shù)的集中體現(xiàn)。側(cè)掃聲吶技術(shù)在掃雷、反潛、海戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境建設(shè)、重要軍事訓(xùn)練區(qū)掃海測(cè)量等方面具有重要的價(jià)值。側(cè)掃聲吶系統(tǒng)是由多個(gè)子系統(tǒng)組成的復(fù)雜系統(tǒng)，盡管不同型號(hào)側(cè)掃聲吶系統(tǒng)在設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)上有所差異，但其基本組成相同，大體上可分為側(cè)掃聲吶聲學(xué)系統(tǒng)、外圍輔助傳感器、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集處理系統(tǒng)和成果輸出系統(tǒng)，圖2給出側(cè)掃聲吶系統(tǒng)的基本組成單元。

圖2 側(cè)掃聲納系統(tǒng)組成單元

換能器作為側(cè)掃聲吶聲學(xué)系統(tǒng)，是系統(tǒng)的核心部件，它是聲電轉(zhuǎn)換裝置。大多數(shù)側(cè)掃聲吶換能器采用壓電陶瓷結(jié)構(gòu)，當(dāng)一個(gè)電壓加到發(fā)射換能器上時(shí)，引起其物理形態(tài)發(fā)生改變，將由發(fā)射機(jī)所產(chǎn)生的振蕩電場(chǎng)轉(zhuǎn)換成機(jī)械形變，這種形變傳送到水中，在水中產(chǎn)生振蕩壓力，即聲脈沖；同樣，接收換能器用來(lái)接收回聲信號(hào)，通過(guò)檢測(cè)聲壓力變化，將這種壓力變化轉(zhuǎn)換成電能。現(xiàn)代側(cè)掃聲吶系統(tǒng)在換能器設(shè)計(jì)時(shí)采用收發(fā)合一的線列陣，使聲能在水平線以下范圍內(nèi)集中。

外圍輔助傳感器主要包括定位傳感器、姿態(tài)傳感器、聲剖和羅經(jīng)。定位傳感器采用GPS定位系統(tǒng)，主要用于測(cè)量時(shí)實(shí)時(shí)導(dǎo)航和定位，為側(cè)掃聲吶換能器提供位置信息；姿態(tài)傳感器主要負(fù)責(zé)換能器橫搖、縱搖和艏搖參數(shù)采集，實(shí)時(shí)反映換能器姿態(tài)變化，用于后續(xù)聲吶圖像改正；羅經(jīng)主要提供拖體航向，用于后續(xù)回波點(diǎn)歸位計(jì)算；聲速剖面儀用于獲取海水中聲速空間變化結(jié)構(gòu)，它直接影響回波點(diǎn)點(diǎn)位歸算精度。側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)波束形成，將接收到的回波信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并反算、記錄其往返程時(shí)間。數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)主要指甲板實(shí)時(shí)處理單元，根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)顯示海底聲吶圖像，便于操作者了解成果有效性，指導(dǎo)后續(xù)工作。

成果輸出系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)后處理及成果輸出。綜合各類外業(yè)數(shù)據(jù)，通過(guò)相關(guān)數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終獲得各有效波束在海底反射點(diǎn)在地理坐標(biāo)系下坐標(biāo)及反射強(qiáng)度，最終形成測(cè)量成果，輸出聲吶圖像。

3 實(shí)例探析綜合物探技術(shù)在港口航道建設(shè)中的應(yīng)用

3.1 技術(shù)概述

本工程要求震源有一定的穿透深度，分辨率高，激發(fā)間隔短，以保證較多的覆蓋次數(shù)，因此采用了氣動(dòng)機(jī)械聲波水域高分辨率淺層地震勘探連續(xù)沖擊震源，該震源主頻在400～1000Hz，頻帶寬，余震衰減快，能量適中，脈沖特性好，激發(fā)時(shí)間間隔調(diào)整靈活（最小間隔1s），重量輕，方便攜帶，操作簡(jiǎn)單。為實(shí)現(xiàn)高密度激發(fā)與高密度接收，本工程選用水域走航式多道地震反射波方法，即在GPS制導(dǎo)下地震數(shù)據(jù)采集與物探點(diǎn)定位隨著作業(yè)船行駛過(guò)程中同步、連續(xù)、動(dòng)態(tài)進(jìn)行，數(shù)據(jù)采集見(jiàn)示意圖（圖3）。導(dǎo)航定位儀器采用雙頻RTK GPS，RTK GPS接收機(jī)載波相位差分能實(shí)時(shí)提供觀測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，并達(dá)到厘米級(jí)的高精度。地震儀采用SWS－6地震勘探系統(tǒng)。

圖3 地震數(shù)據(jù)處理流程

3.2 數(shù)據(jù)處理

本工程主要數(shù)據(jù)處理流程為：①水域地震反射。多次波發(fā)育，本次利用預(yù)測(cè)反褶積與RaDon變換壓制或消除多次波；受水流、風(fēng)力及作業(yè)船馬力的影響，走航式地震反射波法各地震記錄炮間距各不相同，采用線元疊加即消除了航速不均的影響，又可增加反射波疊加次數(shù)，提高信噪比與橫向分辨率；②計(jì)算各地震道坐標(biāo)、距離。航跡歸—地震道號(hào)與坐標(biāo)對(duì)應(yīng)點(diǎn)輸入—計(jì)算各道坐標(biāo)、各道坐標(biāo)投影到隧洞軸線或設(shè)計(jì)線上—計(jì)算偏離軸線距離—插值計(jì)算每個(gè)CDP點(diǎn)的里程樁號(hào)、偏離距；③在地震反射時(shí)間剖面上標(biāo)注CDP點(diǎn)號(hào)與設(shè)計(jì)測(cè)線距離的對(duì)應(yīng)關(guān)系，結(jié)合地質(zhì)資料綜合分析、判定異常并標(biāo)注其位置。

3.3 成果解釋

水域地震反射波成果資料解釋工作主要是利用處理地震數(shù)據(jù)得到的各種地震反射時(shí)間剖面與速度等物性參數(shù)剖面，結(jié)合測(cè)區(qū)地質(zhì)資料（特別是測(cè)線附近的鉆孔資料及測(cè)井資料），通過(guò)對(duì)地震反射波組的走時(shí)、頻率、相位、強(qiáng)度及連續(xù)性等波形特征對(duì)比分析，把地震時(shí)間剖面轉(zhuǎn)變?yōu)樯疃绕拭妫L制出地質(zhì)構(gòu)造圖，劃分巖土層之間的界面，探明斷層、風(fēng)化槽及孤石等不良地質(zhì)體的位置與分布形態(tài)。本工程疊加線元長(zhǎng)度為1m，即CDP道間距為1m。下面就正常地層剖面與不良地質(zhì)體物探異常剖面分別舉例說(shuō)明本次高精度水域地震反射勘探的探測(cè)效果。

3.3.1 正常地層解釋

綜合地質(zhì)資料推斷各波組分別對(duì)應(yīng)水底、淤泥層底、全風(fēng)化花崗巖頂和中微風(fēng)化花崗巖頂。在全風(fēng)化花崗巖頂和中微風(fēng)化花崗巖頂之間還存在斷斷續(xù)續(xù)的反射波同相軸，反應(yīng)不同風(fēng)化程度的巖層界面，由于成層性較差，本次勘探不做細(xì)分。各主要地層在地震反射時(shí)間剖面上顯示清晰直觀，分層準(zhǔn)確度高，已被鉆探資料證實(shí)。

3.3.2 物探異常解釋

在該港口航道工程不同里程段共發(fā)現(xiàn)30多處繞射現(xiàn)象，繞射波的大小規(guī)模與能量強(qiáng)弱各不相同，綜合地質(zhì)資料推斷這些繞射弧由花崗巖球狀風(fēng)化核（簡(jiǎn)稱孤石）引起。繞射波的幾何形態(tài)為雙曲線，雙曲線的頂點(diǎn)（繞射點(diǎn)）就是孤石的埋深。孤石繞射波具有以下特征：①同一埋深，孤石的幾何尺寸越大，繞射弧的曲率半徑越大，反之則越小；②同一尺寸的孤石，埋深越淺大，繞射弧的曲率半徑越大，反之則越小。繞射波在繞射點(diǎn)處能量最強(qiáng)，向兩側(cè)變?nèi)酰虎劾@射波振幅的強(qiáng)弱決定于孤石與周圍巖性的差異，差異大則振幅強(qiáng)，反之就弱；④接收點(diǎn)與繞射點(diǎn)的相對(duì)位置也影響繞射波的振幅大小，若接收點(diǎn)位于繞射點(diǎn)正上方則能量強(qiáng)，反之能量弱。孤石特征的典型剖面見(jiàn)圖4，在淤泥底面與中～微風(fēng)化花崗巖頂面之間的時(shí)間范圍內(nèi)，在 CDP 點(diǎn)號(hào) 1 280、1390、1 450、1 470、1 520、1 610、1 690、1 730及1 775點(diǎn)號(hào)附近存在明顯的不連續(xù)繞射弧（圖中紫色線所指），規(guī)模大小與埋深不一，推斷強(qiáng)繞射弧為孤石或孤石群，弱繞射弧為全風(fēng)化花崗巖中的強(qiáng)風(fēng)化核。這種形態(tài)特征在軌道交通1、2號(hào)線跨海段分布較少。

圖4 孤石反射時(shí)間剖面

另外，斷層的解釋是反射地震資料解釋的難點(diǎn)與重點(diǎn)，根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)與類似工程經(jīng)驗(yàn)，在時(shí)間剖面上斷層位置地震反射波具有以下形態(tài)特征：①反射波同相軸或波組出現(xiàn)錯(cuò)斷現(xiàn)象，而斷層兩側(cè)波組關(guān)系相對(duì)穩(wěn)定；②反射波同相軸數(shù)目明顯增加或減少，波組間隔突然變化；③反射波同相軸形狀突變，反射凌亂或出現(xiàn)空白區(qū)；④發(fā)射波同相軸發(fā)生分叉、合并及扭曲；⑤來(lái)自中、微風(fēng)化基巖頂面發(fā)射波組的雙程時(shí)間明顯增加，出現(xiàn)明顯的巖面凹槽或巖面陡坎，并伴隨出現(xiàn)繞射波與斷面波。圖4該工程TJ－WT1線中部地震反射時(shí)間剖面圖，在CDP點(diǎn)號(hào)1560～1 740段反射波同相軸形狀突變，發(fā)射凌亂，其左右兩側(cè)同相軸錯(cuò)斷明顯，綜合地質(zhì)資料推斷為斷層破碎帶，破碎帶范圍如圖5中紅線所示，共揭示2條構(gòu)造帶，其他兩條線路未揭示。

圖5 斷層破碎帶反射時(shí)間剖面

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，每種物探技術(shù)都有其適用范圍，但也存在缺陷。對(duì)此，需要綜合海上物探對(duì)于海底地質(zhì)情況的勘察結(jié)果，相互補(bǔ)充，為港口航道建設(shè)的設(shè)計(jì)施工奠定基礎(chǔ)。

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[3]胡林峰.ORCA綜合導(dǎo)航系統(tǒng)在海洋物探中的應(yīng)用[J].中國(guó)科技縱橫，2015（14）：29.

P631

A

1004-7344（2016）17-0142-02

2016-6-3

蘭天霞（1985-），女，漢族，助理工程師，本科，主要從事港口航道設(shè)計(jì)方面工作。